Основы палеонтологии. Геологическая летопись: от горных пород до динозавров

О книге

Перед вами пособие для самостоятельного изучения палеонтологии.

Палеонтология – наука о древних живых организмах. Это отражено в её названии, которое составлено из трёх древнегреческих слов: палеос (palaios) – ‘древний’, онтос (ontos, род. падеж от on) – ‘существо’ и логос (logos) – ‘слово, учение’. Она находится на стыке биологии и геологии, так как исследует древние организмы на основе их фоссилий (окаменелостей), сохранившихся в горных породах.

Важно не путать палеонтологию с археологией, которая изучает прошлое человечества на основе вещественных источников и остатков древних людей. Хотя археология может изучать и остатки других организмов, если они были связаны с людьми (одомашненные животные и растения, добыча охотников).

Эта книга познакомит вас с геологической составляющей палеонтологии. В первой части (главы «Горные породы» и «Стратиграфия и геохронология») вы узнаете, из чего состоит геологическая летопись и как её изучают, во второй части (главы «Фоссилии» и «Тафономия») – какие бывают фоссилии и как остатки организмов попадают в геологическую летопись. В конце вас ждут задания для самопроверки и список литературы. В книге отражены последние научные данные и указаны основные различия между русской и английской терминологией.

Пособие представляет собой адаптированную версию онлайн-курса автора «Основы палеонтологии: читаем геологическую летопись» (2023).

Дата публикации: 2025.

Об авторе

Семён Морозов – биолог по образованию, автор научно-популярных публикаций по палеонтологии и зоологии (N + 1, «Вокруг света»). Окончил кафедру зоологии позвоночных биологического факультета СПбГУ, где изучал микроструктуру костей динозавров.

Введение

Историки реконструируют прошлое человечества на основе различных письменных источников, таких как летописи. Геологи – тоже своего рода историки, так как они реконструируют историю Земли на основе геологической летописи. Эта летопись представляет собой совокупность горных пород земной коры (см. рис. 1) – прежде всего тех пород, которые откладываются в виде слоёв.

Рис. 1. Строение Земли. По сравнению с мантией и ядром земная кора очень тонкая, однако она важна для понимания истории нашей планеты (схема автора)

В горных породах могут сохраниться остатки древних живых организмов (например, кости и раковины), отпечатки и слепки их тел, а также следы их жизнедеятельности (например, отпечатки конечностей и экскременты). Всё это называется фоссилиями (от лат. fossilis – «выкопанный»). Фоссилии также называют ископаемыми остатками (или просто ископаемыми) и окаменелостями.

Следует иметь в виду, что слово «ископаемый» (то есть «выкопанный») обозначает также различные вещества, добываемые в недрах Земли, и употребляется в следующих терминах: полезные ископаемые, горючие ископаемые, ископаемое топливо. Кроме того, это слово в переносном смысле используется в термине живые ископаемые – так условно называют современные организмы, которые очень похожи на своих вымерших предков и представляют собой последних представителей древних групп (например, рыбы латимерии).

Рис. 2. Ископаемая раковина аммонита Peltoceras sp. из среднеюрских отложений России

Слово «окаменелость» может ввести в заблуждение: фоссилии не всегда представляют собой «камень» (то есть минерал или горную породу) – иногда они могут содержать и исходное органическое вещество (далее мы обсудим это подробнее).

Обратите внимание, что в русскоязычной палеонтологической и геологической литературе в отношении того, что остаётся от организмов, используется слово «остатки», а не «останки».

Совокупность всех фоссилий, сохранившихся в горных породах, часто называют отдельным термином – палеонтологической летописью (другие варианты: летопись окаменелостей, ископаемая летопись). Таким образом, палеонтологическую летопись можно рассматривать как часть геологической летописи.

Часть I. Геологическая летопись

Глава 1. Горные породы

Геологическая летопись состоит из горных пород. В этой главе вы узнаете, что такое минералы и горные породы, познакомитесь с классификацией горных пород по происхождению и с циклом преобразования, в ходе которого одни породы превращаются в другие. Вы также узнаете, что такое горючие ископаемые, в каких горных породах следует искать фоссилии и как классифицируют осадочные породы по обстановкам осадконакопления.

1.1. Горные породы: определение и классификация

Минералы – это однородные по составу простые или сложные вещества, которые, как правило, являются твёрдыми телами с кристаллической структурой. Они образуются в ходе различных физико-химических процессов и могут существовать как в виде отдельных кристаллов, так и в виде минеральных агрегатов, таких как друзы (сростки кристаллов, наросших на общее основание) и конкреции (стяжение минералов вокруг песчинок или органических остатков).

Плотный или рыхлый агрегат одного или нескольких минералов, который составляет существенную часть земной коры, называется горной породой. По данным Международной минералогической ассоциации, существует около шести тысяч минералов, но породы образуют только несколько десятков – так называемые породообразующие минералы.

К породообразующим минералам относятся, в частности, полевые шпаты, слюды и кварц. Например, горная порода гранит состоит из полевых шпатов, слюд и кварца, в песчанике преобладают кварц и полевые шпаты, а кварцит состоит в основном только из кварца (рис. 3).

Рис. 3. Примеры горных пород и минералов (схема автора, фото: см. «Источники иллюстраций»)

По происхождению горные породы делятся на три основные группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические (изверженные) породы образуются из застывшей магмы (в том числе из лавы). Осадочные породы образуются из осадка, который состоит из продуктов разрушения горных пород (всех типов) и остатков живых организмов, а также из осадка, выпавшего из воды. Метаморфические породы образуются из горных пород (всех типов) в условиях повышенного давления и температуры. Подробнее происхождение горных пород рассмотрим далее.

К магматическим породам относятся, например, гранит, базальт и пемза, к осадочным – песчаник, известняк и каменная соль, к метаморфическим – кварцит, мрамор и гнейс.

Рис. 4. Гранит. Скульптура «Голова» в парке Сергиевка (Петергоф, Санкт-Петербург; фото автора)

1.2. Цикл преобразования горных пород

В природе постоянно происходит цикл преобразования горных пород: в течение миллионов лет одни типы пород постепенно превращаются в другие (см. рис. 5).

Эндогенные процессы протекают в недрах Земли и обусловлены её внутренней тепловой энергией. К эндогенным процессам относятся магматизм и метаморфизм.

Рис. 5. Цикл преобразования горных пород (схема автора, на основе Raman J. Singh & Jonathan Bushee, 1977)

Магматизм включает в себя процесс образования магмы в результате плавления горных пород и её дальнейшие преобразования в результате застывания (кристаллизации). Магма может застыть на глубине, в этом случае образуются интрузивные породы (например, гранит). Магма может излиться на поверхность, где она становится лавой. Из застывшей лавы образуются эффузивные (вулканические) породы (например, базальт и пемза).

Рис. 6. Мостовая гигантов в Северной Ирландии – базальтовые колонны, образовавшиеся в результате застывания лавы

Особняком стоят породы, которые сформировались из обломков, выброшенных при извержении вулканов (глыбы, бомбы, пепел и пр.), – такие породы называются вулканокластическими (от греч. klastos – ‘разбитый’). Иногда их даже относят к осадочным или выделяют в отдельную группу, но обычно всё же считают особым типом вулканических пород. К вулканокластическим породам относится, к примеру, вулканический туф.

Однако не всё так просто: вулканогенный материал часто смешивается с осадочным, и образовавшиеся смешанные породы исследователи классифицируют по-разному. К примеру, «Петрографический кодекс России» к вулканическим относит породы, в которых примесь осадочного материала составляет не более 50 процентов. Если его больше, то это уже особый тип осадочных пород.

Метаморфизм представляет собой перекристаллизацию горных пород в условиях повышенной температуры и давления, в результате чего образуются метаморфические породы. Перекристаллизации могут подвергаться как магматические и осадочные породы, так и сами метаморфические. Песчаник, к примеру, в процессе метаморфизма превращается в кварцит, известняк – в мрамор, а гранит – в гнейс.

Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли (и в верхней части земной коры) и представляют собой результат взаимодействия литосферы с атмосферой, гидросферой и биосферой. В конечном счёте эти процессы обусловлены солнечной энергией и гравитацией. Экзогенные процессы приводят к разрушению горных пород (всех трёх типов) и образованию осадка, который затем превращается в осадочную породу (рис. 5).

Разрушение горных пород начинается с выветривания. Различают физическое (температурные колебания, замерзание воды в трещинах), химическое (за счёт воды, кислорода, углекислого газа) и биологическое (деятельность живых организмов) выветривание. Биологическое выветривание, по сути, включает в себя другие два типа, так как организмы разрушают горные породы механически или химически.

Рис. 7. Биологическое выветривание (растения и лишайники). Слева: Выборг, Ленинградская область (слева), хребет Аибга, Краснодарский край (справа) (фото автора)

Важно отметить, что процессы выветривания происходят на месте залегания горных пород, поэтому к выветриванию, несмотря на название, деятельность ветра не относится, это часть денудации и аккумуляции (см. далее).

Продукты выветривания переносятся ветром, водой и ледниками в пониженные участки рельефа (прежде всего в водоёмы) – этот процесс называется денудацией. Денудация включает в себя также процессы разрушения горных пород: к ним относится, например, эрозия – разрушение горных пород водными или ветровыми потоками. В понижениях рельефа происходит накопление осадка – аккумуляция (осадконакопление).

Условия осадконакопления изменяются с течением времени, вместе с ними меняются и свойства осадка (минеральный состав, размер обломков и т. д.), что приводит к образованию слоёв. Слоистость – важная характеристика осадочных пород.

После аккумуляции начинается диагенез. В русскоязычной литературе под этим термином понимается превращение осадков в осадочную породу, в англоязычной его трактуют более широко и включают также последующие процессы изменения осадочной породы, которые предшествуют метаморфизму.

Как в отношении современных осадков, так и в отношении древних осадочных пород часто используют термин отложения.

Рис. 8. Древний красный песчаник (олдред) на берегу реки Оредеж в Ленинградской области. Накопление осадков, образовавших этот песчаник, происходило более 382 миллионов лет назад, в среднем девоне (фото автора)

В результате разрушения горных пород образуются терригенные осадки. Существуют также органогенные (биогенные) осадки, которые образуются из остатков живых организмов (например, из скелетов планктонных организмов), и хемогенные, которые образуются за счёт осаждения растворённых в воде минеральных веществ. Песчаник, к примеру, имеет терригенное происхождение, известняк – органогенное (иногда хемогенное), каменная соль – хемогенное.